Quali sono le proprietà dei magneti? I magneti sono oggetti straordinari. Possono spingere o tirare altre cose senza toccarle! Le persone lo hanno saputomagnetiper migliaia di anni. Nell'antica Grecia, le persone trovarono rocce straordinarie chiamate magneti che agivano come magneti. Le rocce potrebbero ruotare su se stesse per puntare a nord e a sud, allineandosi con il campo magnetico terrestre.
Oggi i magneti vengono utilizzati in molte cose che usiamo ogni giorno. C’è ancora molto da scoprire su quali siano le proprietà dei magneti e come possiamo utilizzarli.
Materiali magnetici
Tutte le cose nel mondo mostrano una sorta di magnetismo. Ma la forza del magnetismo è molto diversa tra le cose. In base alle proprietà dei magneti, abbiamo cinque grandi gruppi: ferromagnetici, paramagnetici, diamagnetici, ferrimagnetici e antiferromagnetici.
Gli oggetti ferromagnetici come ferro, cobalto e nichel mostrano il magnetismo più forte. La loro minuscola struttura può spiegare la loro forte attrazione verso i campi magnetici. Gli atomi negli oggetti ferromagnetici hanno elettroni senza eguali che puntano nella stessa direzione all'interno di aree chiamate domini magnetici. Questo puntamento nella stessa direzione aumenta il campo magnetico e crea un magnete permanente.
Anche gli oggetti paramagnetici come l'alluminio e il platino vengono attratti dai campi magnetici, ma la forza è molto più debole che negli oggetti ferromagnetici. Gli elettroni spaiati negli atomi paramagnetici puntano nella direzione di un campo applicato ma non mantengono alcuna magnetizzazione una volta che il campo viene rimosso.
Gli oggetti diamagnetici come il rame e l'oro mostrano una debole spinta lontano dai campi magnetici. Quando vengono messi in un campo esterno, i loro atomi creano un campo magnetico indotto nella direzione opposta. Tuttavia, non hanno dipoli atomici permanenti.
Gli oggetti ferrimagnetici mostrano un ordinamento magnetico complesso in cui gli elettroni impareggiabili degli atomi su diversi reticoli si oppongono l'uno all'altro, come negli antiferromagneti. Ma i ferrimagneti mantengono una magnetizzazione permanente poiché gli elettroni opposti e non eguagliati sono disuguali. Le ferriti come la magnetite sono oggetti ferromagnetici di tutti i giorni.
Tabella 1: Materiali magnetici
Materiale | Magnetismo | Esempi |
Ferromagnetico | Attrazione molto forte per i campi magnetici | Ferro, cobalto, nichel |
Paramagnetico | Debole attrazione per i campi magnetici | Alluminio, platino |
Diamagnetico | Debole repulsione dai campi magnetici | Rame, oro |
Ferrimagnetico | Allineamento complesso, magnetizzazione permanente | Magnetite, ferriti |
Antiferromagnetico | Allineamento completo, nessuna magnetizzazione netta | Cromo, manganese |
Domini magnetici
Tutti i materiali ferromagnetici hanno al loro interno minuscoli magneti chiamati dipoli atomici. Questi minuscoli magneti solitamente puntano in direzioni casuali, quindi si annullano a vicenda. Ciò significa che il materiale non ha alcun magnetismo complessivo se lasciato solo. Ma quando il materiale si magnetizza, i minuscoli magneti al suo interno si allineano!
La magnetizzazione avviene quando gruppi di atomi chiamati domini magnetici fanno sì che i loro minuscoli magneti puntino nella stessa direzione. I minuscoli magneti puntano insieme all'interno di ciascun dominio perché sono fortemente connessi. Ma domini diversi punteranno in direzioni casuali prima che avvenga la magnetizzazione.
Forze esterne come i campi magnetici possono far crescere i domini e allineare i loro minuscoli magneti. Questo crea un magnete permanente. Il riscaldamento di un materiale dà anche energia ai minuscoli magneti per muoversi. Ciò consente ai domini di allineare i loro piccoli magneti.
Altri fattori che influenzano la disposizione dei domini dei minuscoli magneti includono lo stress, i bordi dei grani, le impurità e i campi di smagnetizzazione. La forza di un magnete dipende da quanti domini riescono ad allineare i loro minuscoli magneti e da quanto bene resistono alle forze esterne che cercano di confonderli.
Campi magnetici
I magneti creano aree invisibili intorno a loro chiamate campi magnetici. Il flusso magnetico è lo spazio attorno a un magnete dove puoi percepirne la forza. Per vedere il flusso magnetico, disegniamo le linee del campo magnetico. Più linee significano un campo magnetico più forte. Le linee escono dal polo nord del magnete e curvano attorno al polo sud.
I campi magnetici si verificano quando minuscole cariche elettriche si muovono. All'interno degli atomi, gli elettroni ruotano e girano attorno a orbite. Ogni atomo è un minuscolo magnete con i propri poli nord e sud. Nei materiali magnetici, i minuscoli magneti nei domini si allineano. Questo combina tutti i loro campi magnetici per creare un grande campo magnetico che punta in una direzione. Ecco perché i magneti permanenti ottengono campi magnetici così forti.
Il campo magnetico invisibile è più forte e più vicino al magnete. Diventa più debole man mano che ti allontani. I magneti più piccoli hanno campi magnetici più piccoli e più deboli. I magneti più grandi hanno campi magnetici più grandi e più forti.
Poli magnetici
I magneti hanno i poli nord e sud. Queste sono le aree in cui la forza magnetica è più forte. I poli opposti si attraggono. I poli nord e sud restano uniti. Gli stessi poli si allontanano l'uno dall'altro. Due poli nord o due poli sud si respingono e si allontanano.
Ciò accade a causa del modo in cui scorrono le linee invisibili del campo magnetico. Le linee vanno dal polo nord al polo sud all'interno del magnete. A livello atomico, ogni minuscolo magnete al suo interno ha linee di campo magnetico che scorrono da nord a sud. In un magnete, tutti i minuscoli magneti allineano i loro campi magnetici.
Magneti permanenti
Mentre alcuni materiali come il ferro sono naturalmente magnetici, i magneti permanenti sono spesso prodotti artificialmente mediante magnetizzazione. Ferro, nichel, cobalto o leghe solitamente costituiscono i migliori magneti permanenti.
La magnetizzazione comporta l'esposizione del materiale a un forte campo magnetico esterno prodotto da un elettromagnete o da un altro magnete permanente. Ciò fa sì che i domini magnetici crescano e si allineino con il campo esterno, producendo un forte magnete permanente. I magneti duri resistono alla smagnetizzazione, mentre i magneti morbidi perdono più facilmente il loro magnetismo.
La forza di un magnete permanente è correlata alla sua coercività, ovvero all'intensità del campo necessaria per smagnetizzarlo. I materiali ad alta coercizione possono creare potenti magneti permanenti ma sono più difficili da magnetizzare inizialmente. Anche la densità massima del flusso magnetico o la magnetizzazione di saturazione e la magnetizzazione residua influiscono sulla forza del magnete.
Elettromagneti
Oltre ai magneti permanenti, gli elettromagneti utilizzano correnti elettriche per indurre magnetismo temporaneo. Quando una corrente elettrica attraversa un filo a spirale, genera un campo magnetico parallelo all'asse della bobina. L'intensità del campo aumenta con più spire e corrente più elevata.
Anche il materiale all'interno della bobina è importante. Il ferro dolce rende il campo magnetico più forte. Il ferro può far sollevare un elettromagnete 100 volte di più. Ma il ferro rallenta anche la velocità di reazione del magnete.
Gli elettromagneti hanno bisogno di energia per rimanere magnetici. I magneti permanenti no. Ma gli elettromagneti possono accendersi e spegnersi velocemente. Anche il loro potere può cambiare istantaneamente. Ciò li rende adatti al sollevamento di ferro pesante e alle scansioni MRI che necessitano di campi magnetici variabili.
Forza magnetica e momento magnetico
Quanto qualcosa è magnetico dipende da quanto magnetismo si verifica vicino a un campo magnetico. Il modo in cui si allinea con il campo magnetico è chiamato momento magnetico. Ciò dipende dai minuscoli elementi costitutivi del materiale chiamati atomi, principalmente elettroni che sono soli e non in coppia. Questi agiscono come piccoli magneti.
Un potente magnete può contenere molta energia magnetica che scorre attraverso di esso. Questa è chiamata magnetizzazione di saturazione. Un magnete potente mantiene una parte maggiore del suo magnetismo quando il campo esterno scompare. Questo si chiama rimanenza. Il magnetismo deriva dagli elettroni che ruotano e orbitano. Quindi minuscole regole della fisica quantistica controllano la forza magnetica.
Proprietà magnetiche
Diverse proprietà fondamentali dei magneti aiutano a caratterizzare le prestazioni magnetiche:
● Magnetizzazione di saturazione: la massima densità di flusso magnetico possibile che un materiale può generare in un campo applicato. Misurato in Tesla.
● Rimanenza: la magnetizzazione rimanente quando il campo guida viene rimosso. Quanto magnetismo rimane?
● Coercitivamente: l'intensità del campo magnetico inverso necessaria per smagnetizzare il materiale riportandolo a zero. Resiste alla smagnetizzazione.
● Permeabilità: Capacità di favorire la formazione di un campo magnetico al proprio interno. L'elevata permeabilità concentra il flusso magnetico.
● Isteresi: Tendenza a conservare un magnetismo imposto. I materiali con un'isteresi significativa creano magneti permanenti efficaci.
L'ottimizzazione di queste proprietà dei magneti è essenziale per selezionare il materiale magnetico adatto per una determinata applicazione, sia per ottenere la massima intensità di campo permanente sia per massimizzare i cambiamenti di flusso reversibili.
Isteresi magnetica
I magneti possono agire in modi entusiasmanti! I magneti presentano un fenomeno chiamato isteresi. La loro magnetizzazione segue un percorso diverso ogni volta che si ciclizza il campo magnetico esterno. Il percorso preciso dipende dalla precedente storia di magnetizzazione del magnete.
Puoi vederlo quando disegni come cambia la densità del flusso magnetico B al variare del campo magnetico applicato H. Questo grafico crea un ciclo chiamato ciclo di isteresi.
Inizialmente, le minuscole regioni magnetiche del magnete chiamate domini si allineano lentamente man mano che si aumenta H. Una volta che sono tutte allineate, ulteriori aumenti di H non cambiano più B. Quindi, quando si riduce H, B segue una curva diversa. Quando H è zero, una parte della magnetizzazione rimane dai domini allineati. È necessario applicare un campo magnetico nella direzione opposta per riportare la magnetizzazione a zero.
L'area all'interno del ciclo di isteresi mostra l'energia persa quando i domini cambiano ad ogni ciclo. I magneti duri hanno anelli ampi e perdite di energia significative. La forma dell'anello indica anche le proprietà del magnete, ad esempio quanto bene rimane magnetizzato e quanto è difficile smagnetizzarlo.
Effetti della temperatura
L'energia termica può influenzare il comportamento dei magneti! Quando la temperatura aumenta, le minuscole regioni magnetiche allineate in un magnete chiamate domini vengono mosse dall'energia termica. Ciò fa diminuire la magnetizzazione. Ad una temperatura Curie elevata, l'energia termica sconvolge l'ordine magnetico e il magnetismo permanente scompare completamente.
La facilità con cui un magnete perde la sua magnetizzazione dipende dalla sua temperatura di Curie. La temperatura Curie più alta di qualsiasi elemento puro è il ferro a 1043 K. L'aggiunta di sostanze come nichel e cobalto per produrre leghe aumenta il punto Curie. I magneti permanenti resistenti al calore consentono di utilizzare i magneti in applicazioni come generatori e motori.
Il raffreddamento dei magneti al di sotto del punto di Curie fa aumentare nuovamente la magnetizzazione. Gli elettromagneti superconduttori funzionano solo a temperature fredde dove la resistenza elettrica scompare per creare campi magnetici potenti e duraturi.
Tabella 2: Effetti della temperatura sul magnetismo
Effetto della temperatura | Descrizione |
Temperatura di Curie | Al di sopra di questa temperatura il magnetismo permanente viene perso |
Agitazione termica | Può disturbare l'allineamento dei domini magnetici |
Raffreddamento sotto il punto di Curie | Aumenta la magnetizzazione al diminuire del movimento termico |
Temperature criogeniche | Abilita elettromagneti superconduttori con campi persistenti e ad alta resistenza |
Applicazioni magnetiche
I magneti sono uno strumento versatile presente nel panorama industriale in applicazioni come:
● Motori: i motori elettrici rotanti si basano su magneti che convertono l'energia meccanica ed elettrica attraverso l'induzione elettromagnetica. Piccoli motori azionano i dispositivi dalle ventole ai dischi rigidi.
● Generatori: i generatori a turbina producono elettricità facendo ruotare magneti vicino a bobine di filo, inducendo il flusso di corrente.
● Memorizzazione magnetica: le unità disco rigido scrivono i dati invertendo la magnetizzazione di minuscoli domini su un disco ferromagnetico.
● Levitazione: i treni Maglev utilizzano magneti per fluttuare sopra i binari, eliminando l'attrito e garantendo viaggi silenziosi e fluidi.
● Dispositivi medici: le macchine per la risonanza magnetica utilizzano potenti magneti superconduttori per rilevare i cambiamenti nel campo magnetico del corpo per l'imaging diagnostico.
● Ricerca: gli spettrometri di massa piegano le particelle cariche con campi magnetici per determinarne la massa e la struttura chimica.
● Energia rinnovabile: i cuscinetti magnetici stabilizzano i volani, immagazzinando l'energia cinetica raccolta da fonti eoliche o solari.
Levitazione magnetica
La levitazione magnetica, o maglev, utilizza i magneti per far fluttuare le cose! I magneti si allontanano l'uno dall'altro. Ma le configurazioni magnetiche uniche possono rendere stabile il galleggiamento.
I treni veloci a levitazione magnetica circolano già in Asia ed Europa. Galleggiare sopra i binari significa che non c'è attrito con le ruote, così che i treni a levitazione magnetica possono superare i 600 km/h! Senza ruote o cuscinetti, sono più silenziosi e fluidi per accelerare e fermarsi. Inoltre consumano meno energia rispetto ai treni normali.
Maglev è valido non solo per i treni! Potrebbe aiutare a lanciare veicoli spaziali, realizzare acceleratori di particelle, creare cuscinetti senza attrito e fermare le vibrazioni negli edifici. Gli ingegneri stanno ancora migliorando i magneti super potenti. Ciò potrebbe consentire ai treni maglev di collegare intere città in futuro.
Aggiungendo ulteriori informazioni su come funziona il maglev, sugli usi nel mondo reale e sulle possibilità future, si spiega semplicemente questo concetto avanzato. I giovani studenti possono comprendere i treni fluttuanti attraverso le forze magnetiche prive di attrito e immaginare altre applicazioni di questa fantastica tecnologia.
Conclusione
Dai minuscoli magneti da frigorifero ai magneti lunghi un miglio che alimentano i reattori a fusione, i magneti hanno un valore inestimabile nella nostra vita quotidiana. La comprensione delle proprietà uniche dei magneti continua a stimolare scoperte che portano a nuove applicazioni. Aree all’avanguardia come la spintronica e i monopoli magnetici offrono possibilità per l’elettronica di prossima generazione e persino per i computer quantistici.
Con molto ancora da capire sui fondamenti quantistici del magnetismo, la ricerca ne svelerà ulteriormente l’enorme potenziale. Resta ancora molto da scoprire su ciò che le proprietà dei magneti possono permetterci di ottenere.
Domande frequenti sulle proprietà dei magneti
Quali sono le unità di misura dell'intensità del campo magnetico?
L'intensità del campo magnetico è quantificata in ampere per metro (A/m) o tesla (T). Un tesla equivale a un newton per amperometro. L'intensità del campo magnetico terrestre è di circa 0,5 gauss o 50 microtesla.
Come si calcola il flusso magnetico?
Il flusso magnetico attraverso una superficie viene calcolato moltiplicando l'intensità del campo magnetico, l'area perpendicolare e il coseno dell'angolo.
Quali materiali sono utilizzati nei magneti superconduttori?
I magneti superconduttori utilizzano tipicamente superconduttori come bobine di niobio-titanio o niobio-stagno raffreddate da elio liquido. I nuovi superconduttori ad alta temperatura consentono esigenze di raffreddamento meno estreme per intensità di campo elevate.
Meta Descrizione
Esplora l'affascinante mondo dei magneti. Scopri materiali, domini, campi e altre proprietà dei magneti!